IEC61850規(guī)約整體介紹

1、IEC61850規(guī)約整體介紹1總體概念1.1 IEC61850標準制定的背景同傳統(tǒng)的IEC60870-5-103標準相比，IEC61850不僅僅是一個單純的通信規(guī)約，而且是 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的標準，指導(dǎo)了變電站自動化的設(shè)計、開發(fā)、工程、維護等各個領(lǐng)域。該標準通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口，增強了設(shè)備之間的互操作性，可以在不同廠家的設(shè)備之間實現(xiàn)無縫連接，從而大大提高變電站自動化技術(shù)水平和安全穩(wěn)定運行水平，實現(xiàn)完全互操作。IEC61850解決的主要問題（1）網(wǎng)絡(luò)通信；（2）變電站內(nèi)信息共享和互操作；（3）變電站的集成與工程實施。1.

2、2 IEC61850重要的基本名詞MMS : Manufacturing Message Specification 制造報文規(guī)范GOOSE ： gen eric object orie nted substation events 面向通用對象的變電站事件SV: sampled value 采樣值LD : LOGICAL-DEVICE 邏輯設(shè)備，代表典型變電站功能集的實體LN : LOICAL-NODE 邏輯節(jié)點，代表典型變電站功能的實體CDC : common DATA class （DL/T860.73） 公用數(shù)據(jù)類Data:位于自動化設(shè)備中能夠被讀、寫，有意義的結(jié)構(gòu)化應(yīng)用信息。DA :

3、 data attribute數(shù)據(jù)屬性，數(shù)據(jù)屬性（IEC 61850-8-1 ）命名：LD/LN$FC$DO$DA FC: functional constraint 功能約束FCDA : Functionally constrained DataAttribute 功能約束數(shù)據(jù)屬性互操作性：同一或不同制造商提供的兩臺或多臺IED交換信息并用這些信息正確地配合工作的能力。服務(wù)器：為客戶提供服務(wù)或發(fā)出非請求報文的實體。客戶端：向服務(wù)器請求服務(wù)以及接收來自服務(wù)器非請求報文的實體。1.3 IEC61850規(guī)約內(nèi)容的層次關(guān)系IEC61850規(guī)約文本總共有十個部分，每個部分的名稱和關(guān)系見圖1。第六部分規(guī)

4、定了用于變電站智能電子設(shè)備配置的描述語言，該語言稱作為 變電站配置描述語言（SCL ），適用于描述按照 DL/T 860.5和DL/T 860.7X標準實現(xiàn)的智能電子設(shè)備配置 和通信系統(tǒng)，規(guī)范描述變電站自動化系統(tǒng)和變電站（開關(guān)場）間關(guān)系。SCL句法元素由五部分構(gòu)成：信息頭、變電站描述（電壓等級、間隔層、電力設(shè)備、結(jié)點等）、智能電子設(shè)備描述（訪問點、服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯結(jié)點、實例化數(shù)據(jù)DOI等）、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型模板。建立通信模型要求定義眾多對象（如，數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)集、報告控制、登錄控制）以及 對象提供的服務(wù)（取數(shù)、設(shè)定、報告、創(chuàng)建、刪除）。這些在本系列標準中第7-X部分中用明確接口來定義。

5、為利用通信技術(shù)的長處，IEC61850系列標準中，不定義新的開放式系統(tǒng)互聯(lián)OSI協(xié)議棧，僅在本系列標準的第8部分和第9部分分別規(guī)定了在現(xiàn)有協(xié)議棧上的標準映射。第八部分規(guī)定了ACSI （抽象通信服務(wù)接口，DL/T 860.72 ）的對象和服務(wù)到 MMS（制造報文規(guī)范，GB/T16720-2005 ）和ISO/IEC8802-3 幀之間的映射。第十部分一致性要求調(diào)查和確定它們的有效性是系統(tǒng)和設(shè)備驗收的重要部分。為了系統(tǒng)和設(shè)備的互操作性，本標準系列第10部分規(guī)定了變電站自動化系統(tǒng)設(shè)備的一致性測試方法，給出了建立測試條件和系統(tǒng)測試的導(dǎo)則。介紹和概述術(shù)語總體要求系統(tǒng)和工程管理功能和設(shè)備模型的通信要求變電

6、站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)語言基本通信結(jié)構(gòu)和模型Part 1Part 2Part 3Part 4Part 5Part 6Part 7一致性測試Part 10Part 8通信服務(wù)映射Mapp ingStack AMapp ingStack AMapp ingMapp ingStack XStack YPart 9通信服務(wù)映射MMS+GOOSEGOOSE+SMVStation/Interbay bus (LAN) Porcess bus (LAN)圖1 IEC61850規(guī)約十個部分的名稱和關(guān)系圖1.4數(shù)字化變電站的層次關(guān)系變電站層繼電保護+二控制間隔層過程層遠方保護高壓設(shè)備圖2數(shù)字化變電站層次和服務(wù)關(guān)系圖圖

7、2中十個數(shù)字連接具體是：（1）間隔層裝置與變電站監(jiān)控系統(tǒng)之間交換事件和狀態(tài)數(shù)據(jù)一一MMS私有規(guī)約，未來發(fā)展也可用以太網(wǎng)方式借(2) 間隔層裝置與遠方保護交換數(shù)據(jù)用 GOOSE 或 SMV(3) 間隔內(nèi)裝置間交換數(shù)據(jù) 一一GOOSE(4) 過程層與間隔層交換采樣數(shù)據(jù) 一一SMV(5) 過程層與間隔層交換控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)一一GOOSE(6) 間隔層裝置與變電站監(jiān)控系統(tǒng)之間交換控制數(shù)據(jù) MMS(7) 監(jiān)控層與保護主站通信 一一MMS(8) 間隔間交換快速數(shù)據(jù) 一一GOOSE(9) 變電站層間交換數(shù)據(jù)一一MMS(10) 變電站與控制中心交換數(shù)據(jù) 一一不在標準范圍，也有用戶希望采用618501.5 IEC

8、61850模型的層次關(guān)系物理設(shè)備映射到IED，然后將各個功能分解到LN，組織成一個或者多個LD。每個功能的保護數(shù)據(jù)映射到 DO,并且根據(jù)功能約束(FC)進行拆分并映射到若干個 DA(見圖3 )。exampleBay UnitControlCSWI Switch ControlPositionControl ValueStatus ValueON ORF圖3 ICD模型的基本層次示意圖2、IEC61850 服務(wù)從裝置研發(fā)角度來看，IEC61850標準的服務(wù)實現(xiàn)主要分為三個部分：MMS服務(wù)、GOOSE服務(wù)、SMV服務(wù)。其中，MMS服務(wù)用于裝置和后臺之間的數(shù)據(jù)交互，GOOSE服務(wù)用于裝置之間的通訊，

9、SMV服務(wù)用于采樣值傳輸，三個服務(wù)之間的關(guān)系見圖4。在裝置和后臺之間涉及到雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)，在GOOSE報文和傳輸采樣值中涉及多路廣播報文的服務(wù)。雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)傳送服務(wù)請求和響應(yīng)(傳輸無確認和確認的一些服務(wù))服務(wù)，多路廣播應(yīng)用關(guān)聯(lián)(僅在一個方向)傳送無確認服務(wù)。目前，PCS系列裝置IEC61850模塊支持上述所有服務(wù)。ACSI ServicesI/O dataI/O dataI/O data、日志歷史記錄上如果把IEC61850標準的服務(wù)細化分，主要有：報告（事件狀態(tài)上送）5。送、快速事件傳送、采樣值傳送、遙控、遙調(diào)、定值讀寫服務(wù)、錄波、保護故障報告、時間同步、文件傳輸、取代，以及模型的讀取服務(wù)。細

10、化服務(wù)和模型之間的關(guān)系見圖6F：SERVERCon trol Blocks140.*BUFFERED-REPORT-CTRL-BLOCK0.*1.*© Logical-device1.*LOGICAL -N ODELLN0.140.*0.*0.10：51I0.1UNBUFFERED-REPORT- CTRL-BLOCKLOGCONTROLBLOCKSETTING-GROUP-CONTROL-BlockGOOSECONTROL-BLOCKGSSE-CONTROL-BLOCK160.1MULTICAST- SAMPLED-VALUE-CTRL-B.0.*:°.* 0.*140.

11、1LOG:0.*.0.*0.*UnICAST-0.*0.1SAMPLED VALUE-CTRL-B.誠:DATA誠:DataAttribute1.*0.*Substituti on0.*誠:TimeDataSet17*：Con trolFile圖5 IEC 61850-7-2的模型和服務(wù)的關(guān)系圖從用戶使用角度來看,IEC61850標準的實現(xiàn)主要分為客戶端 （后臺）、服務(wù)器端（裝置）、 配置工具三個部分。配置文件是聯(lián)系三者的紐帶。2.1 MMS服務(wù)2.1.1 MMS 介紹MMS （manufactoring message specification ）即制造報文規(guī)范，是ISO/IEC9506

12、標準所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議。MMS是由ISO TC184開發(fā)和維護的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計算機或IED之間交換實時數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的一套獨立的國際標準報文規(guī)范。它獨立于應(yīng)用和設(shè)備的開發(fā)者。MMS特點介紹如下：（1）定義了交換報文的格式；結(jié)構(gòu)化層次化的數(shù)據(jù)表示方法可以表示任意復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ASN.1編碼可以適用于任意計算機環(huán)境（2）定義了針對數(shù)據(jù)對象的服務(wù)和行為；（3）為用戶提供了一個獨立于所完成功能的通用通信環(huán)境。2.1.2 MMS 功能（1）信號上送開入、事件、報警等信號類數(shù)據(jù)的上送功能通過BRCB （有緩沖報告控制塊）來實現(xiàn),映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。通過有緩沖報告控制塊，可以實現(xiàn)

13、遙信和開入的變化上送、 周期上送、總召、事件緩存。由于采用了多可視的實現(xiàn)方案，事件可以同時送到多個后臺。（2）測量上送遙測、保護測量類數(shù)據(jù)的上送功能通過URCB （無緩沖報告控制塊）來實現(xiàn)，映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)。通過無緩沖報告控制塊，可以實現(xiàn)遙測的變化上送（比較死區(qū)和 零漂）、周期上送、總召。由于采用了多可視的實現(xiàn)方案，使得事件可以同時送到多個后臺。（3）定值定值功能通過定制控制塊（SGCB）來實現(xiàn)，映射到 MMS的讀寫服務(wù)。通過定制控制 塊，可以實現(xiàn)選擇定值區(qū)進行召喚、修改、定制區(qū)切換。（4）控制遙控、遙調(diào)等控制功能通過 IEC61850的控制相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，映射到 MMS的讀寫

14、和報告服務(wù)。IEC61850提供多種控制類型，PCS系列裝置實現(xiàn)了增強型 SBOw功能和直控 功能，支持檢同期、檢無壓、閉鎖邏輯檢查等功能。（5）故障報告故障報告功能通過 RDRE邏輯節(jié)點實現(xiàn)，映射到 MMS的報告和文件操作服務(wù)。錄波文件產(chǎn)生時，RDRE下的RcdMade和FltNum通過報告上送到后臺；后臺以如下方式召喚故障報告：IED名稱_LD名稱_故障序號_*.HDR （ CFG、DAT ）。統(tǒng)一規(guī)范的故障報告采用 XML格式存放在HDR文件中，內(nèi)容如下：<>%Ti亠| Tr i pXnfo 5 iUm s1 0fll31 nrirft為FTABCAE54； 1 o o430

15、0?!5400ms豐合叩動作6TOUChns主f駅護起動（3）<>血*召( dipt1矽暉選*H2敵TOilW距H 口 6VM3故障電遍5. BlkAf >oeJ. *LXa£ *2.2 GOOSE 服務(wù)221 GOOSE 介紹IEC61850標準中定義的面向通用對象的變電站事件 （GOOSE）以快速的以太網(wǎng)多播報 文傳輸為基礎(chǔ)， 代替了傳統(tǒng)的智能電子設(shè)備IED）之間硬接線的通信方式 ，為邏輯節(jié)點間 的通信提供了快速且高效可靠的方法。GOOSE服務(wù)支持由數(shù)據(jù)集組成的公共數(shù)據(jù)的交換，主要用于保護跳閘、斷路器位置， 聯(lián)鎖信息等實時性要求高的數(shù)據(jù)傳輸。GOOSE服務(wù)的信息

16、交換基于發(fā)布/訂閱機制基礎(chǔ)上，同一 GOOSE網(wǎng)中的任一 IED設(shè)備，即可以作為訂閱端接收數(shù)據(jù)，也可以作為發(fā)布端為其 他IED設(shè)備提供數(shù)據(jù)。這樣可以使IED設(shè)備之間通訊數(shù)據(jù)的增加或更改變得更加容易實現(xiàn)。2.2.2 GOOSE 功能PCS系列裝置使用獨立的高性能 DSP板卡來實現(xiàn)GOOSE功能，具有很高的實時性和 可靠性。板卡自帶的兩個百兆全雙工光纖以太網(wǎng)接口，可以分別對應(yīng)不同的VLAN網(wǎng)絡(luò)。GOOSE雙網(wǎng)配置提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。（1）GOOSE收發(fā)機制為了保證GOOSE服務(wù)的實時性和可靠性， GOOSE報文采用與基本編碼規(guī)則（BER）相關(guān) 的ASN.1語法編碼后，不經(jīng)過TCP/IP協(xié)議

17、，直接在以太網(wǎng)鏈路層 上傳輸，并采用特殊的收 發(fā)機制。GOOSE報文發(fā)送采用心跳報文和變位報文 快速重發(fā)相結(jié)合的機制。在GOOSE數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)沒有變化的情況下，發(fā)送時間間隔為TO的心跳報文，報文中的狀態(tài)號（stnum）不變，順序號（sqnum）遞增。當GOOSE數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)發(fā)生變化情況下，發(fā)送一幀變位 報文后，以時間間隔 T1，T1，T2，T3進行變位報文快速重發(fā)。數(shù)據(jù)變位后的報文中狀態(tài)號（stn um）增加，順序號（sqn um）從零開始。GOOSE接收可以根據(jù) GOOSE報文中的 允許生存時間 TATL （ Time Allow to Live）來 檢測鏈路中斷。GOOSE數(shù)據(jù)接收機制

18、可以分為單幀接收和雙幀接收兩種。智能操作箱使用 雙幀接收機制，收到兩幀GOOSE數(shù)據(jù)相同的報文后更新數(shù)據(jù)。其他保護和測控裝置使用單幀接收機制，接收到變位報文（stnum變化）以后，立刻更新數(shù)據(jù)。當接收報文中狀態(tài)號（stnum） 不變的情況下，使用雙幀報文確認來更新數(shù)據(jù)。（2）GOOSE報警功能GOOSE對收發(fā)過程中產(chǎn)生的異常情況進行報警，主要分為：GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報警，GOOSE配置不一致報警， GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風暴報警。GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報警：在兩倍的報文允許生存時間TATL（ Time Allow to Live ）內(nèi)沒有收到正確的 GOOSE報文，就產(chǎn)生 GO

19、OSE A網(wǎng)/B網(wǎng)斷鏈報警。GOOSE配置不一致報警：GOOSE發(fā)布方和訂閱方中 GOOSE控制塊的配置版本號等屬 性必需一致，否則產(chǎn)生 GOOSE配置不一致報警。GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風暴報警：當 GOOSE網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風暴，網(wǎng)絡(luò)端口流量超過 正常范圍，出現(xiàn)異常報文時，會產(chǎn)生GOOSE A網(wǎng)/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)風暴報警。（3）GOOSE檢修功能當裝置的檢修狀態(tài)置 1時，裝置發(fā)送的 GOOSE報文中帶有測試（test）標志，接收端 就可以通過報文的 test標志獲得發(fā)送端的置檢修狀態(tài)。當發(fā)送端和接收端置檢修狀態(tài)一致 時，裝置對接收到的 GOOSE數(shù)據(jù)進行正常處理。當發(fā)送端和接收端置檢修狀態(tài)不一致時

20、， 裝置可以對接收到的 GOOSE數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，以保證檢修的裝置不會影響到正常運行狀態(tài)的裝置，提高了 GOOSE檢修的靈活性和可靠性。2.3 SMV服務(wù)231 SMV介紹采樣值的傳輸所交換的信息是基于發(fā)布/訂戶機制。在發(fā)送側(cè)發(fā)布方將值寫入發(fā)送緩沖區(qū)；在接收側(cè)訂戶從當?shù)鼐彌_區(qū)讀值。在值上加上時標，訂戶可以校驗值是否及時刷新。通信系統(tǒng)負責刷新訂戶的當?shù)鼐彌_區(qū)。在一個發(fā)布方和一個或多個訂戶之間有兩種交換采樣值方法。一種方法采用MULTICAST-APPLICATION-ASSOCIATION （多路廣播應(yīng)用關(guān)聯(lián)控制塊 MSVCB）。另一種方法采用 TWO-PARTY-APPLICATION-ASS

21、OCIATION（unicast sampled value control, USVCB雙邊應(yīng)用關(guān)聯(lián)即單路傳播采樣值控制塊USVCB）。按規(guī)定的采樣率對輸入進行采樣。由內(nèi)部或者通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)采樣的同步。采樣存入傳輸緩沖區(qū)。網(wǎng)絡(luò)嵌入式調(diào)度程序?qū)⒕彌_區(qū)的內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)向訂戶發(fā)送。采樣率為映射特定參數(shù)。采樣值存入訂戶的接收緩沖區(qū)。一組新的采樣值到達了接收緩沖區(qū)就通知應(yīng)用功能。多點傳送采樣值服務(wù)的映射見表 1。表1多點傳送采樣值服務(wù)的映射MSVCB類服務(wù)服務(wù)SendMSVMessageMSV信息的傳送直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層GetMSVCBValue映射到MMS讀服務(wù)SetMSVCBValue映射到MMS寫

22、服務(wù)2.3.2 SMV和GOOSE常用的重要概念（1）以太網(wǎng)地址用于采樣值傳輸時， 需配置ISO/IEC 8802-3多點傳送的目標地址，采用唯一的ISO/IEC8802-3源地址。表2建議的多點傳送地址示例建議的取值范圍服務(wù)開始地址（16進制）結(jié)束地址（16進制）GOOSE01-0C-CD-01-00-0001-0C-CD-01-01-FFGSSE01-0C-CD-02-00-0001-0C-CD-02-01-FFMSV01-0C-CD-04-00-0001-0C-CD-04-01-FF（2）優(yōu)先級標記允許應(yīng)用帶有一組優(yōu)先級限制，高優(yōu)先級幀應(yīng)設(shè)置其優(yōu)先級為47,低優(yōu)先級幀則為13。8位位組8

23、76543211TPID20X81003TCIUser priorityCFIVID8位位組876543214VID（3）虛擬局域網(wǎng)（VLAN ）VLAN 是一個在物理網(wǎng)絡(luò)上根據(jù)用途，工作組、應(yīng)用等來邏輯劃分的局域網(wǎng)絡(luò)，是一個廣播域，與用戶的物理位置沒有關(guān)系。一個VLAN中的成員看不到另一個 VLAN中的成員。同一個VLAN中的所有成員共同擁有一個VLAN ID，組成一個虛擬局域網(wǎng)絡(luò)；同一個VLAN中的成員均能收到同一個 VLAN中的其他成員發(fā)來的廣播包，但收不到其他VLAN中成員發(fā)來的廣播包；不同VLAN成員之間不可直接通信，需要通過路由支持才能通信，而同一 VLAN中的成員通過 VLAN交

24、換機可以直接通信，不需路由支持。（4）以太網(wǎng)類型應(yīng)用以太網(wǎng)類型碼取值（16進制）APPID 類型IEC 61850-8-1 GOOSE88-B80 0IEC 61850-8-1 GSE 管理88-B90 0IEC 61850-9-1采樣值88-BA0 1IEC 61850-9-2采樣值88-BA0 1（5）ASN1 編碼通常有三個部分構(gòu)成：標簽值（一個字節(jié)）+長度（一個或者兩個字節(jié)）+內(nèi)容°bit string 內(nèi)容部分，除了字符串內(nèi)容外，需要填充為8位的整數(shù)倍，第一個字節(jié)為填充的bit數(shù)目，后續(xù)為bit真正內(nèi)容。（6）時間有兩個時間概念需要區(qū)分，第一個MMS UTC 時間，也就是T

25、IMESTAMP （時間標簽）類型，值的格式應(yīng)包括 3部分：距離格林尼治標準時間1970年1月1日午夜的秒數(shù)（s）、秒的小數(shù)部分（f）和質(zhì)量標記（q）。第二個MMS Btime6 （天的時間），類型應(yīng)是八位組串，該 類型的值包含4個八位位組，值分為兩個部分：第一部分表示從當天午夜之后的毫秒數(shù)（日 期不在該數(shù)值中）；第二部分包含時間和日期，以從1984年1月1日之后的相對天數(shù)來表示。3模型文件對于數(shù)字化變電站，我們常接觸到四種文件一一ICD、SSD、SCD、CID。3.1 ICD模型文件信息和工程實施ICD 模型文件分為四個部分：Header、Communication、IED 和 DataTy

26、peTemplates 。ICD模型的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象類型具體規(guī)范參考規(guī)約7-2和7-3部分。裝置廠家通過自己的IED配置工具生成裝置的描述文件ICD文件（為XML標準格式），見圖6。ICD文件里描述裝置的數(shù)據(jù)模型和能力：（1）裝置包含哪些邏輯裝置、邏輯節(jié)點（2）邏輯節(jié)點類型、數(shù)據(jù)類型的定義（3）數(shù)據(jù)集定義、控制塊定義（4）裝置通信能力和參數(shù)的描述ICD-FileLibraryIED Configuration TooIIFormat: XML施示意見圖（1）（2）（3）System Specification ToolSSD-FileFormat: XML圖6 ICD文件工程實施示意圖3.2 SSD模型文件信息和工程實施通過系統(tǒng)配置工具生成變電站一次系統(tǒng)的描述文件SSD文件（為標準XML格式），實 7, SSD文件包含的信息包括: 包含一次系統(tǒng)的單線圖 一次設(shè)備的邏輯節(jié)點 邏輯節(jié)點的類型定義圖7 SSD文件工程實施示意圖3.3 SCD模型文件信息和工程實施以變電站包